薄壁深孔复杂壳形塑件的多目标注塑工艺参数组合设计

庄 燕

（1. 九州职业技术学院，江苏省徐州市 221116；2. 湖北师范大学，湖北省黄石市 435002）

能源紧张已经成为世界各国共同面临的难题，在汽车制造业中，以塑代钢可以显著降低能源成本，并成为汽车轻量化发展的趋势。如今，塑件已经从汽车的内饰件发展到外饰件，然而对于薄壁深孔复杂壳形（FBS）塑件，在加工过程中易产生注塑缺陷，尤其是容易产生翘曲变形及体积收缩，此时模具设计结构已固定，对注塑缺陷不产生影响，因此，设计合理的注塑工艺参数是减少注塑缺陷的行之有效的方法［1］。利用计算机辅助工程（CAE）技术对注塑成型过程进行模拟，能及早发现不合理的工艺设置，通过修改注塑参数，可以减少翘曲变形、体积收缩等注塑缺陷对制品的影响［2-3］。虽然数值模拟软件的出现在一定程度上解决了物理实验的高成本问题，但CAE技术的应用只是在计算机上反复的试错，仍依赖于设计者的经验，难以获得最优化的注塑工艺。而CAE技术与实验设计（DOE）技术的结合，可方便实现工艺的优化。现有的DOE技术应用最多的为Taguchi设计方法［4］。制品质量方面研究翘曲变形［5-7］的居多；制品形状方面研究薄壁结构［8-9］、深孔（腔）［10］以及塑件形状不够复杂［11］的较多。而基于正交试验法研究FBS塑件的翘曲变形和体积收缩的较少，成为业界亟待解决的问题。本工作建立了FBS塑件的三维模型并对其进行有限元分析，以同时降低其翘曲变形量和体积收缩率。采用正交试验法，结合DOE技术对实验结果分别进行信噪比分析，确定影响因子的显著性，获得最佳注塑工艺参数。

1 结构分析

FBS塑件外观三维模型见图1，整体尺寸为137.0 mm×66.0 mm×52.0 mm，平均壁厚1.8 mm。成型材料选择台湾奇美实业股份有限公司的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物PA-765A。该塑件形状复杂，侧边对称设有4个卡扣，用于与其他产品进行组装和固定；外壳上端凹台有一个较深的盲孔和4个安装孔，用来安装显示屏及相应的电子装置；外壳下端用来安装按键部分；整体结构设计合理。生产时，要求塑件表面光滑精致，无毛刺和熔接痕，翘曲变形量不能超过0.2 mm，体积收缩率不超过4%，且越小越好。

图1 FBS塑件三维图Fig.1 Three-dimensional model of FBS plastic part

2 注塑成型CAE分析

传统的模具设计制造主要通过试模修模的方法调整注塑工艺参数，生产效率低且生产周期长，无法满足当今对塑料加工的要求。而利用CAE分析软件（如Moldflow软件）对注塑成型的各种工艺参数（如温度、压力、时间等）进行模拟，可极大提高一次试模成功的概率，缩短周期。

对FBS塑件进行注塑成型CAE分析时，首先需要将三维模型导入Moldflow软件中，利用网格划分工具进行有限元处理，网格划分类型选择双层面。为保证结果的精确性，需通过网格修复向导和修复工具，将网格匹配百分比提高至90%以上，为后续的充填、保压、翘曲、冷却等分析做准备，最终的有限元模型见图2。

图2 有限元模型Fig.2 Finite element model

2.1 浇口位置选择

将FBS塑件三维模型导入Moldflow软件中进行浇口分析，流动阻力代表塑件各部分对流动的阻抗力大小，浇口匹配性表明塑件各部分的浇口合理性，蓝色代表最佳的浇口位置，红色代表最差的浇口位置。从图3a和图3b可以看出：最佳浇口位置处于外壳上端凹台的底部中间位置，且该位置的流动阻力最小。由于塑件的上下体积不均匀，在实际浇注时可能存在熔接痕、浇不足的情况。综合考虑，将浇口位置设置于FBS塑件上端凹台的中间位置，见图3c。

2.2 浇注系统与冷却系统

浇注系统是塑料经注塑机喷嘴到塑件型腔的流动通道，包括主流道、分流道、浇口等。本设计壳体的浇注系统采用直接浇口形式，冷却系统采用4根ф8 mm的冷却水管分布在塑件周围，建立图4a所示的浇注系统和冷却系统。以默认注塑工艺参数在Moldflow软件中进行成型仿真，选择“冷却+保压+填充+翘曲”分析序列。从图4b可以看出：塑件整体充填时间为0.990 3 s，且塑料熔体在型腔内的流动性良好。从图4c可以看出：塑件所受压力最大值为46.69 MPa，且以浇口为中心压力逐渐减小，最后在壳体边缘处降至最低。

图3 浇口分析Fig.3 Analysis of gate

图4 注塑仿真Fig.4 Simulation of injection

3 基于正交试验的工艺参数优化

加工生产时，该FBS塑件易产生翘曲变形和体积收缩，影响塑件的成型质量。因此，本工作主要以翘曲变形量和体积收缩率为优化目标。

3.1 正交试验因素与水平设置

参考Moldflow软件材料数据库参数，结合实际生产经验，选择熔体温度、模具温度、注射压力、保压压力、保压时间作为影响因素，每个因素选取5个水平，最终的因素与水平表见表1。

表1 正交试验因素与水平Tab.1 Factors and levels of orthogonal test

3.2 方案设计

按照正交试验设计L25（55）方案，考察5因素5水平对塑件翘曲变形量与体积收缩率的影响，并在Moldflow软件中对每组实验进行注塑成型仿真。为了判断各因素对翘曲变形量和体积收缩率的敏感度，采用望小特性信噪比公式计算正交试验表中各组实验模拟结果的信噪比，信噪比按式（1）计算，结果见表2。从表2可以看出：对于翘曲变形量，第19组实验的信噪比最大，即翘曲变形量最小；对于体积收缩率，第5组实验的信噪比最大，即体积收缩率最小。

式中：η（x）为信噪比；n表示每组实验的重复次数；xi是第i次重复实验值。

3.3 信噪比极差分析

翘曲变形量越小，表明塑件的精度越高。分析各因素的极差可知，影响翘曲变形量的因素由大到小依次为D，E，A，C，B，对应的翘曲变形量分别为2.920 0，1.240 0，0.910 0，0.790 0，0.780 0 mm。说明保压压力是影响翘曲变形量的最显著因素，保压时间次之，熔体温度、注射压力和模具温度影响相仿，对翘曲变形量影响甚微。根据各因素的显著性取图5中各折线的最高点：D5E3A4C5B4，即保压压力100 MPa，保压时间15 s，熔体温度240 ℃，注射压力80 MPa和模具温度80 ℃为最佳工艺参数，此条件下塑件的翘曲变形量最小。

体积收缩率越小，塑件的成型质量越高。分析各因素的极差可知，影响体积收缩率的因素由大到小依次为D，E，B，C，A，对应的体积收缩率分别为1.700%，1.290%，0.480%，0.410%，0.330%。说明保压压力是影响体积收缩率的最显著因素，保压时间次之，模具温度、注射压力和熔体温度的影响相仿。根据各影响因素的显著性取图6中各折线的最高点：D5E2B5C1A1，即保压压力100 MPa，保压时间10 s，模具温度85 ℃，注射压力60 MPa和熔体温度225 ℃为最佳工艺参数，此条件下塑件的体积收缩率最小。

表2 正交试验仿真结果Tab.2 Simulation results of orthogonal test

图5 翘曲变形量的变化趋势Fig.5 Trend of warpage deformation

图6 体积收缩率的变化趋势Fig.6 Trend of volume shrinkage

在表2的实验方案中不包含D5E3A4C5B4（翘曲变形量最小时的参数组合）和D5E2B5C1A1（体积收缩率最小时的参数组合）的工艺组合，所以在Moldflow软件中进行验证。从表3和图7可以看出：D5E3A4C5B4工艺组合产生0.196 8 mm的翘曲变形量和3.911%的体积收缩率；D5E2B5C1A1产生0.236 6 mm的翘曲变形量和4.044%的体积收缩率。而第19组实验（见表2）的翘曲变形量最小，为0.196 8 mm，第5组实验的体积收缩率最小，为3.855%。第19组实验与D5E3A4C5B4产生的翘曲变形量与体积收缩率一致，而两组参数的差别在于注射压力不同，验证了注射压力对翘曲变形量影响甚微。对比Moldflow软件默认工艺参数产生的翘曲变形量和体积收缩率，正交试验和信噪比分析都有效降低了塑件缺陷，验证了分析方法的有效性。综合考虑生产要求，能够有效降低塑件翘曲变形量和体积收缩率的最佳工艺参数组合为D5E3A4C5B4，即保压压力100 MPa，保压时间15 s，熔体温度240 ℃，注射压力80 MPa，模具温度85 ℃，结果见图7。与默认工艺相比，最佳工艺参数组合D5E3A4C5B4产生的翘曲变形量降低了62.28%，而体积收缩率降低了37.74%。

表3 验证结果Tab.3 Verification results

图7 验证结果Fig.7 Results of verification

4 结论

a）根据FBS塑件的结构特点，针对注塑时最易出现体积收缩、翘曲变形的缺陷，进行多目标优化。应用Moldflow软件确定了塑件的浇口位置、浇注系统以及冷却系统，并且进行充填分析，预测塑件在注塑时可能出现的问题。

b）以熔体温度、模具温度、注射压力、保压压力以及保压时间为影响因素，翘曲变形量和体积收缩率为实验目标进行正交试验设计，在Moldflow软件中进行注塑成型仿真，确定了最佳注塑工艺参数组合：保压压力100 MPa，保压时间15 s，熔体温度240 ℃，注射压力80 MPa，模具温度85 ℃。

c）在最优参数组合下产生的翘曲变形量为0.196 8 mm，体积收缩率为3.911%，较默认工艺参数下的翘曲变形量减少了62.28%，体积收缩率降低了37.74%，塑件质量得到显著提高，验证了优化方法的可靠性。